在幾分鐘內(nèi)設(shè)計(jì)定制機(jī)器人

盡管機(jī)器人在世界各地越來越普遍，但制造起來仍然非常困難。從設(shè)計(jì)和建模到制造和測試，這個(gè)過程是緩慢和昂貴的:即使是一個(gè)小的改變也意味著需要幾天或幾周的時(shí)間來重新考慮和修改重要的硬件。

但是如果有一種方法可以讓非專業(yè)人士一次完成不同的機(jī)器人設(shè)計(jì)呢?

麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)的研究人員正朝著這一目標(biāo)邁進(jìn)。在一篇新論文中，他們提出了一種名為“交互式Robogami”的系統(tǒng)，可以讓你在幾分鐘內(nèi)設(shè)計(jì)出一個(gè)機(jī)器人，然后用3d打印技術(shù)在短短4個(gè)小時(shí)內(nèi)完成組裝。

該系統(tǒng)的關(guān)鍵特性之一是，它允許設(shè)計(jì)師確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)(“步態(tài)”)和形狀(“幾何形狀”)，這是設(shè)計(jì)系統(tǒng)中經(jīng)常分離的功能。

“設(shè)計(jì)機(jī)器人通常需要的專業(yè)知識只有機(jī)械工程師和機(jī)器人專家才具備，”博士生兼聯(lián)合首席作者Adriana Schulz說?！傲钊伺d奮的是，我們創(chuàng)造了一個(gè)工具，讓普通用戶可以通過向他們傳授專業(yè)知識來設(shè)計(jì)自己的機(jī)器人?！?/p>

這篇論文發(fā)表在最新一期的《國際機(jī)器人研究雜志》(International Journal of Robotics Research)上，由博士研究生辛西婭·宋(Cynthia Sung)與麻省理工學(xué)院(MIT)教授沃伊切赫·馬圖斯克(Wojciech Matusik)和丹妮拉·羅斯(Daniela Rus)共同領(lǐng)導(dǎo)。

其他合著者包括博士生安德魯·斯皮爾伯格、前碩士生趙薇、前本科生程羅賓和哥倫比亞大學(xué)教授埃坦·格里芬。(現(xiàn)在是賓夕法尼亞大學(xué)的助理教授。)

它是如何工作的

3d打印已經(jīng)改變了人們將想法轉(zhuǎn)化為實(shí)物的方式，使用戶擺脫了更傳統(tǒng)的制造方式。盡管有了這些發(fā)展，目前的設(shè)計(jì)工具仍然有空間和動(dòng)作的限制，并且需要一個(gè)陡峭的學(xué)習(xí)曲線來理解各種細(xì)微差別。

交互式的Robogami旨在更直觀。它使用模擬和交互反饋與算法進(jìn)行設(shè)計(jì)組合，允許用戶專注于高層次的概念設(shè)計(jì)。用戶可以從超過50個(gè)不同的身體、輪子、腿和“外設(shè)”的庫中進(jìn)行選擇，也可以選擇不同的步驟(“步態(tài)”)。

重要的是，該系統(tǒng)能夠保證設(shè)計(jì)切實(shí)可行，分析速度和穩(wěn)定性等因素，提出建議，并確保，例如，用戶不會(huì)創(chuàng)造出一個(gè)頭重腳輕的機(jī)器人，使它在不翻倒的情況下無法移動(dòng)。

一旦設(shè)計(jì)完成，機(jī)器人就會(huì)被制造出來。受折紙藝術(shù)啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)的“3D打印和折疊”技術(shù)包括將設(shè)計(jì)打印為平面連接在節(jié)點(diǎn)上，然后將設(shè)計(jì)折疊成最終形狀，將2D和3D打印最有效的部分結(jié)合起來。

“3D打印可以打印復(fù)雜的、剛性的結(jié)構(gòu)，而2D制造則可以快速制造出輕而堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，”Sung說?！巴ㄟ^3d打印2D圖案，我們可以利用這些優(yōu)勢，用輕質(zhì)材料開發(fā)出堅(jiān)固、復(fù)雜的設(shè)計(jì)?！?/p>

結(jié)果

為了測試該系統(tǒng)，研究小組讓8名受試者接受20分鐘的訓(xùn)練，并要求他們完成兩項(xiàng)任務(wù)。

其中一項(xiàng)任務(wù)是在十分鐘內(nèi)設(shè)計(jì)出一款穩(wěn)定的移動(dòng)汽車。在第二項(xiàng)任務(wù)中，用戶被要求設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人，并創(chuàng)建一個(gè)軌跡，以使機(jī)器人在最短的旅行時(shí)間內(nèi)通過障礙物。

該團(tuán)隊(duì)總共制造了6個(gè)機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)耗時(shí)10至15分鐘，打印耗時(shí)3至7小時(shí)，組裝耗時(shí)30至90分鐘。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們的3D打印和折疊方法減少了73%的打印時(shí)間和70%的材料使用量。這些機(jī)器人還展示了廣泛的運(yùn)動(dòng)范圍，比如用單腿走路，使用不同的步驟序列，同時(shí)使用腿和輪子。

“你可以快速設(shè)計(jì)出一個(gè)可以打印出來的機(jī)器人，這將幫助你快速、輕松、廉價(jià)地完成這些任務(wù)，”Sung說。“這降低了每個(gè)人設(shè)計(jì)和制造自己的機(jī)器人的障礙。”

Rus公司希望人們能夠?qū)C(jī)器人應(yīng)用到日常工作中，類似的系統(tǒng)和快速打印技術(shù)將使大規(guī)模的機(jī)器人定制和生產(chǎn)成為可能。

“這些工具為教授計(jì)算思維和創(chuàng)造提供了新的方法，”羅斯說?！皩W(xué)生們不僅可以通過編寫代碼和制造自己的機(jī)器人來學(xué)習(xí)，還可以將機(jī)器人的實(shí)際功能的概念引入生活。”

雖然目前的版本側(cè)重于能夠行走的設(shè)計(jì)，但該團(tuán)隊(duì)希望未來機(jī)器人能夠飛行。另一個(gè)目標(biāo)是讓用戶能夠進(jìn)入系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)器人可以執(zhí)行的任務(wù)來定義機(jī)器人的行為。

“這個(gè)工具可以在設(shè)計(jì)過程的早期階段快速探索動(dòng)態(tài)機(jī)器人，”迪斯尼研究院的研究科學(xué)家Moritz Bacher說，他沒有參與這項(xiàng)研究。專家用約束和組合規(guī)則來定義構(gòu)件，并為非專業(yè)人士制造復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)鋪平道路。這一系統(tǒng)可能會(huì)激發(fā)后續(xù)工作，針對更復(fù)雜的機(jī)器人的計(jì)算設(shè)計(jì)?！?/p>